原油泡沫下液位測量的方法研究

林木

【摘 要】結合電容基本原理及電子測量技術，設計一種能夠解決泡沫下液位測量的傳感器檢測系統。介紹該系統的各組成部分，包括電容式傳感器的結構，檢測電路的選擇，使用方法和驗證實驗方案，取得令人滿意的效果。

【關鍵詞】電容式傳感器；檢測系統；泡沫

引言：

電容式傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態響應快、易于實現非接觸測量等優點。雖然易于受到外接干擾和寄生電容的影響，但隨著電子技術的迅速發展，以及驅動電纜技術的出現，這些缺點正被逐步克服，可以實現常規測量手段所不能完成的任務。在油田現階段生產中，由于各種輔助采油手段的使用，油質發生很大變化。其中儲油罐內原油起泡沫的現象比較多，對準確計量產生嚴重影響。本文設計一種電容式測量方法，可以準確測量泡沫下液位，并能夠區別空氣、油泡沫、油、水四種介質。

一、電容式傳感器系統組成

系統整體由絕緣極板電容、鍍銀屏蔽信號線、電容檢測器、標準量油尺四部分構成。

（一）電容式傳感器原理及結構設計

電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置，實質上就是一個具有可變參數的電容器。

由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為：

式中： ε——電容極板間介質的介電常數，ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數，εr極板間介質的相對介電常數；

S——兩平行板所覆蓋的面積；

d——兩平行板之間的距離。

根據電容傳感器原理，我們可以知道當電容極板間介質介電常數發生變化時，電容器的容量也同時發生變化。考慮油罐內不同介質分布情況，可以知道當同一電容器經過空氣、油泡沫、油、水時，其電容量因不同介質填充在電極板間而發生改變，該改變量與介質的介電常數有關。也就是說通過預先測定四種介質的介電常數，就可以知道電容器所處介質環境。如果將電容器與標準量油尺相結合，就可以通過量油尺刻度獲得不同介質的位置信息，從而完成泡沫下油液面的測量。

（二）對介質測量電容設計和檢測電路選擇的要求

電容器設計：作為測量裝置，極板間必須可以通過檢測介質，兩極板間相對位置必須固定。考慮安全因素和污水導電特性，作為電路組成的極板必須與介質絕緣。由于計量精度要求，兩絕緣極板構成的電容器必須可靠固定于量油尺上，合適的位置為量油尺重錘。

檢測電容量儀器選擇：電容要自如通過檢測介質，極板間隔必須要大，根據合適的電容器設計實測其容量在數十PF左右，因此要求檢測電路精度必須達到0.1PF級別。電路必須使用電池供電方式，耗電量符合移動儀表工作要求。

二、應用

（一）介質介電常數的標定

雖然作為測量裝置的電容器要經過空氣、油泡沫、油、水四種介質，但是我們只要標定其中的油的介電常數，就可以消減油泡沫和水對計量的影響。追求更高精度可以對水的介電常數進行測定，這樣結合量油尺就可以完整判斷油層厚度。如果在凈化油罐中含水穩定，可以在油罐出口取樣，測量系統連接完畢后進行消零操作，再將測量電容器浸沒于油樣中，讀取電容示值，作為該凈化油罐的測量樣本。對于在含水較高油罐中應用，則需人工提取不同液位高度的油樣，區別出液面油樣和水面上油樣，使用測量電容器實際測量該兩油樣的電容量作為油層開始和結束的電容數值樣本。

（二）安全防爆問題的解決

作為檢測裝置的測量電容器要浸沒于油罐液面下，屬于防爆要求的0區，是有嚴格要求的。該測量方法使用的電容器，在結構上為防止油品含水過高導電影響測量準確度而采取絕緣密閉手段，客觀上不存在引發爆炸燃燒的可能，其原理就如同兩根相互絕緣、對罐壁絕緣、對介質絕緣的導線，國標《GB3836爆炸性環境用防爆電氣設備》對此并沒有要求。在罐外使用的電容量測量裝置是符合GB3836要求的設備，因此必須使用符合1區要求的防爆外殼將其包圍密閉。

（三）實際應用中的操作方法

在實際使用中應該兩人操作，一人執量油尺進行下尺操作，一人觀察測量電容器下降情況，并在量油尺最接近油泡沫時采取消零操作；同時密切觀察電容量變化情況，當電容量與標定參考樣本數值一致時記錄量油尺下尺深度；兩次記錄的差值即表示油層厚度。

三、結論

泡沫下液位測量一直是計量領域的空白項目，該文根據電容原理提供一種設計，可以比較好的進行泡沫下液位檢測工作，是該領域的突破。針對目前油田聯合站儲油罐出現的實際問題，是一種實用的、容易實現的檢測方法。

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